环境温度对高真空多层绝热性能影响的试验研究

刘根仓 汪荣顺

1 引言

随着低温绝热技术的不断发展和应用，低温容器的应用也越来越广泛［1-3］。从绝热类型分，常见的低温容器绝热主要有4种类型:普通堆积绝热、高真空绝热、真空粉末绝热和高真空多层绝热［4］。高真空多层绝热因其比真空粉末绝热的性能更好，容器更加轻便，且加工工艺比高真空多屏绝热又简单许多，被广泛应用于工业、民用等各个领域。

国内外低温容器的设计、制造以及工业化批量生产已经达到了一定规模，并且向着更大的规模发展［5］，因此对于低温容器的规范和性能评估也变得更加重要。包括国际标准化组织在内的各个国家都相应的建立了一系列关于低温绝热容器的标准，包括设计、制造、使用和性能评估都有相应的规范。其中对于低温容器的绝热性能的评估又尤为重要，因为这不仅直接关系到低温容器厂家和用户的切身利益，而且对与低温容器的合理使用有重要的指导作用。为此国际标准化组织专门制定了评价低温绝热容器绝热性能的标准性文件［6］。

评价低温容器绝热性能的指标主要为漏热率、静态日蒸发率、保存时间和升温升压率，其中应用最广泛的是低温容器的静态日蒸发率指标。根据国家标准对低温绝热压力容器的规定［7］，每种容积的低温容器都有规定的最高静态日蒸发率指标，如果高于这个指标，则不允许生产和使用这种容器，因此准确测量和计算低温容器的日蒸发率显得尤为关键。影响日蒸发率的因素很多，比如环境温度、环境压力、低温容器充满率，但由于环境压力的变化幅度较小且充满率能实现一致性，使得环境温度成为最突出的影响因素。现行的国家标准也对环境温度的影响进行了线性修正，但效果不尽理想。本文对常温环境下的日蒸发率进行了测量并通过改变环境温度得到相应的日蒸发率变化规律，旨在明确环境温度对高真空多层绝热的性能影响规律，并对进一步修正环境温度与日蒸发率之间的关系给出一定参考和借鉴。

2 实验装置与流程

由于实验需要在不同的温度环境下进行，所以设计了恒温水箱，将整个低温容器放入水箱中，采用水浴的方法达到控制容器外壁温度的目的。具体的实验台系统如图1所示。

图1 实验台系统图

整个实验系统包括3个部分。(1)研究对象—液氮容器:采用东亚牌YDS-30L液氮容器，容器内部通过顶部直径50 mm的瓶口与外界相通，配套泡沫瓶塞。实验时用专门的密封瓶塞将管口密封，只通过导管将低温蒸气引出，与质量流量计连接。(2)温度控制部分:包括水箱、加热器和温控仪。水箱为不锈钢材质，底部安装2个1 kW的加热器。四周采取了保温隔热措施，减少水箱的漏热。温控仪为PID控制器，K型热电偶测量水温，控制加热器的通断，控制精度为±1℃。为了实现低于环境温度下的实验测量，本实验还包括一组0℃环境温度，即在水箱中为此冰水混合态进行相关实验。(3)测量部分:采用美国Alicat Scientific公司M-5SLPM-D型质量流量计进行氮气流量测量，精度为 ±(0.8% ×读数+0.2% ×满量程)。

实验分为两个阶段。第1阶段测量常温环境中液氮容器日蒸发率的规律。第2部分将液氮容器放置在水箱中，控制水的温度，测量在不同的温度环境下液氮容器的蒸发率。实验时，容器中液氮充满率为90%，容器内低温蒸气压力为环境压力。将容器放置于水箱中或大气环境中，水位控制在容器的提手部位，容器外壁温度为水箱中的水温和大气环境温度。静置48 h，为容器与环境之间建立热平衡过程。建立平衡后，记录蒸气流量数据不小于24 h。

3 试验结果与讨论

3.1 常温环境下日蒸发率的周期性规律

图2中数据为容器静置48 h平衡后连续3天的蒸气流量数据。由图可见，蒸气的体积流量随时间发生周期性的变化，每天出现2次高峰和2次低谷。2次高峰值一次出现在2:00左右，一次出现在14:00左右;两次低谷值一次出现在8:00左右，一次出现在20:00左右。

图2 常温环境下蒸气流量随时间的波动变化Fig.2 Evaporation vapor flow rate change during per measuring period under room temperature

引起蒸气流量变化的主要因素有环境温度和环境压力，因此将蒸气流量、环境温度和环境压力随时间的变化曲线绘制在同一个图中进行比较，如图3所示。环境压力的波动曲线与流量曲线之间有一定的关系，通过对比可以看出，两者在一定程度上具有反相的关系。当环境压力高时，蒸气流量反而低，而当环境压力降低时，蒸气流量升高。这是因为环境压力高时，容器内外的压力差变小，抑制气体外流;而当环境压力降低时，容器内外压力差变大，气体加速外流。

图3 蒸气流量变化与环境压力和环境温度的关系Fig.3 Comparison of evaporation vapor flow rate and corresponding ambient pressure and temperature

虽然环境压力的波动引起了蒸气流量的波动，但是以24 h为一个周期来看，蒸气流量的平均值基本上保持不变，即容器的日蒸发率保持不变，这是因为环境的温度变化不大。综合来看，环境温度影响的是蒸气流量每天的平均值，而环境压力的波动影响了蒸气流量的瞬态变化。日蒸发率是与蒸气流量有关的平均值，环境压力的波动因此不会明显影响日蒸发率的测量。

3.2 环境温度对日蒸发率的影响

本组实验分别取0℃、30℃、40℃和50℃，4种实验工况。不同环境温度下低温蒸气流量波动变化的曲线和平均流量值见图4。结果显示蒸气流量的平均值与环境温度之间基本上是线性关系，环境温度越高，蒸汽流量则越大。如果将上述蒸气流量的平均值对环境温度进行最小二乘法线性拟合可以得到如下的关系式:

式中:t为环境温度，℃。拟合直线与实验数据之间的相关系数达到0.998。虽然在实验的温度范围内蒸气流量与环境温度之间线性度很好，但是在更大的范围内这个拟合的公式却不适用。比如将环境温度-196℃(即液氮温度)带入公式得到蒸气流量为负值，这显然是不可能的。所以本试验工况下推导的蒸气流量与环境温度间的关联关系具有一定的局限性。

图4 不同环境温度下的蒸气流量曲线和平均值Fig.4 Evaporation vapor flow rate under different ambient temperature

4 环境温度对高真空多层绝热性能影响的理论分析

低温绝热研究的内容主要是热量传递的3种方式:导热，对流和辐射。高真空多层绝热形式将低温容器夹层抽成高真空，通常真空度达到1 mPa以下，大大减少了气体导热和气体热对流。通过采用低导热系数的间隔层和高反射率的反射屏叠合形成绝热材料，从减少固体导热和辐射传热的层面上进一步提高绝热性能［8］。研究表明［9］:高真空多层绝热结构的漏热途径主要包括:绝热材料的漏热、底部支撑及颈管漏热;支撑结构漏热包括辐射和导热2部分。由于高真空作用，自由气体分子很难形成对流换热，则通过绝热材料的漏热途径也以辐射和导热为主。可见，环境温度对高真空多层绝热性能的影响主要通过辐射和导热2个途径进行。

国家标准里面已经有关于日蒸发率的测量和修正的关系式［10］，其修正方法如下所示:

式中:α0为静态日蒸发率，%/d;α为实验测得的日蒸发率，%/d;Tn为修正值，对于液氮Tn=216 K;T1为实验时的环境温度，K;T2低温液体温度，K。

国家标准里面采用的修正方法为温差的线性修正。实际上国际标准化组织指定的测量低温容器静态日蒸发率的标准中，所采用的修正方法对环境温度也是线性修正。

线性的修正方法能较好地调节导热对高真空多层绝热性能影响的份额，但却不适合用于修正辐射换热的影响。基于上述分析，建议加入辐射换热关系的相关修正式，即研究Q=k1(TW-TS)+k2(T4W-T4S)的修正效果。

5 总结与展望

本文就环境温度对高真空多层绝热性能的影响进行了试验测量及理论分析后，主要得到如下结论:

(1)环境温度影响的是蒸气流量每日的平均值，而环境压力的波动影响了蒸气流量的瞬态变化。

(2)静态日蒸发率随着环境温度的升高而变大。

由于环境温度通过导热和辐射2个途径同时影响高真空多层绝热绝热性能，现行的国家标准或国际标准中对环境温度的线性修订未综合考虑辐射的作用，因此下一阶段的工作重点将致力于静态蒸发率测量中新的环境温度修正方案的验证。

1 毕龙生.低温容器应用进展及发展前景(一)［J］.真空与低温，1999，5(3):125-134.

2 毕龙生.低温容器应用进展及发展前景(二)［J］.真空与低温，1999，5(4):187-192.

3 毕龙生.低温容器应用进展及发展前景(三)［J］.真空与低温，2000，6(1):1-7.

4 徐 烈，方荣生，马庆芳，等.低温容器——设计、制造与使用［M］.北京:机械工业出版社，1987.

5 魏 蔚，汪荣顺.国内外液化天然气输运容器发展状态［J］.低温与超导，2005，33(2):39-43.

6 国际标准化组织.ISO 21014:2006(E)Cryogenic vessels— Cryogenic insulation performance［S］.国际标准化组织，2006.

7 国家低温容器质量监督检验中心.GB 18842-2001低温绝热压力容器［S］.北京:中国标准出版社，2002.

8 魏 蔚，汪荣顺.高真空多层绝热被的性能及其量热器的试验研究［J］.低温与超导，2007(1):21-24.

9 李 阳，王彩莉，汪荣顺.低温绝热气瓶的有限元热分析与试验研究［J］.低温工程，2008(1):41-44.

10 国家低温容器质量监督检验中心.GB/T 18443.5—2001低温绝热压力容器试验方法静态蒸发率测量［S］.北京:中国标准出版社，2002.